CC BY
38ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ (TECHNICAL SCIENCE)
УДК 1
Атоев В.В.
студент 1 курса магистратуры, факультет «Инженерный бизнес и менеджмент» кафедра «Экономика и организация производства» МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, Россия)
АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В РАКЕТОСТРОЕНИИ
Аннотация: в статье проводится анализ перспектив применения аддитивных технологий в ракетостроении.
Ключевые слова: аддитивные технологии, ракетостроение, космическая промышленность.
Последние двадцать лет мировой космический рынок показывает стабильный рост без спадов, даже в условиях циклических экономических кризисов (см. Рис.1). По этой причине все большее количество «игроков» стремятся закрепиться на данном рынке и нарастить свою долю, что в значительной мере поменяло его структуру и основные принципы функционирования. [1]
Выручка мирового космического рынка, млрд $
2 SO
200 ISO 100 SO 0
2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016
Производство РН В Производство спутников
■ Наземная аппаратура В Спутниковые услуги
Рис. 1 Выручка мирового космического рынка
В течение последних 5 лет, в условиях резко выросшей конкуренции на рынке «ракетостроения», был смещен акцент с государственных национальных корпораций мировых космических держав в сторону частных компаний, вынужденных искать новые подходы к ведению своей деятельности в условиях ограниченных бюджетов (см. Рис 2) для сохранения доли рынка. На текущий момент можно выделить одну частную компанию - SpaseX, которая за 8 лет своего функционирования смогла завоевать около 2/3 мирового космического рынка (см. Рис 3). Остальные частные космические компании занимают незначительную долю и на графике включены в статистику своих стран. Учитывая вышеизложенное можно сделать вывод, что частные компании вполне успешно решают поставленную задачу, но с целью дальнейшего сохранения своих позиций они вынуждены постоянно искать новые тренды роста эффективности своей деятельности.
Рис. 2 Доли компаний и стран на рынке коммерческих запусков, %.
Ключевым драйвером для эффективного функционирования на рассматриваемом рынке выступил тренд снижения себестоимости продукции, при сохранении высокого уровня ее качества, как главный способ удерживания позиций на рынке. С этой целью все производители поставили перед собой задачу многократного использования ресурса двигателей, потому что именно двигатель является самой дорогой частью ракетного модуля, в результате чего были произведены и апробированы многоразовые ракетные двигатели. [2]
Данный тренд оправдал ожидания и подтвердил свою эффективность, дальнейшие научные исследования в данной области будут посвящены повышению полезной грузоподъемности и снижению расхода топлива, необходимого для посадки ступеней.
— NASA ESA — CNSA JAXA — Роскосмос ISRO CSA
Рис. 3 Бюджет космических агентств
Вторым этапом в снижении затрат является совершенствование производства и внедрение новых производственных технологий. Одной из них, активно внедряющихся в машиностроении, является аддитивное производство.
Аддитивное производство (Additive Manufacturing) - это создание изделий, основанное на поэтапном добавлении материала на основу в виде плоской платформы или осевой заготовки. В самом термине «аддитивность» (от лат. additivus - прибавляемый) заложен основной принцип этого процесса. Такой способ изготовления также называют «выращиванием» из-за послойного создания изделия. [3]
Если сформулировать суть аддитивного производства и его основные отличия от традиционных принципов, то при традиционном производстве от заготовки отсекают все лишнее, получая требуемое изделие, а при использовании аддитивных технологий продукция создается методом наслаивания расходного материала на основу. Различия в традиционном и аддитивном производстве представлены на (см. Рис. 4). Такой способ изготовления также называют «выращиванием». Новым толчком для внедрения
аддитивного производства послужило начало печати из металлических материалов, которые в отличие от пластиковых, используемых ранее, позволили получать изделия с требуемыми физико-химическими характеристиками. Именно данная технология аддитивного производства выступила в качестве точки бифуркации перспектив внедрения новых принципов производства.
Рис. 4 Различия аддитивного производства от традиционного
Имеющийся опыт внедрения аддитивных технологий доказывает возможность расширения его границ применения, в частности - более широкого применения в космической отрасли.
В качестве основных преимуществ внедрения аддитивных технологий можно выделить следующие:
1) Снижение числа комплектующих частей создаваемого изделия
2) Экономия сырья
3) Минимизация отходов
В качестве примера снижение числа комплектующих частей создаваемого изделия приведем топливную форсунку для реактивного двигателя Rutherford. При использовании традиционного производства или производства с быстрым прототипированием требуется произвести около 20 разных запчастей, которые нужно соединить с помощью сварки. Применение же 3D-печати позволяет создавать форсунку из специального материала, что в значительной степени снижает долю и вероятность брака, а еще время на ее проектирование и производство. [3]
Также, при аддитивном производстве прослеживается значительная экономия исходных ресурсов. Аддитивные технологии позволяют в производстве использовать ровно столько материала, сколько требуется для конкретной детали. При традиционных способах изготовления потери сырья могут составлять до 85%, что в значительной степени снижает эффективность деятельности корпораций. [2]
Минимизация отходов в свою очередь ведет к сокращению затрат, связанных либо со вторичным использованием отходов, либо с их утилизацией, затраты на которую могут достигать 30% от себестоимости изделия, особенно в прогрессивных странах мира, где стоимость данных услуг высока и порядок утилизации жестко регламентируется и контролируется государством.
В качестве преимуществ внедрения данного типа производства в космической отрасли можно выделить значительное снижение веса готовой детали, что особенно актуально для выбранной отрасли. Производители авиадвигателей уже научились создавать аддитивным способом различные кронштейны и втулки, которые при сохранении всех прочностных характеристик на 40-50% легче своих «традиционных» аналогов.
Еще одна сильная сторона аддитивного производства - штучное изготовление изделия любой формы. Этим объясняется особый интерес к аддитивным технологиям медицины и авиационно-космической
промышленности - отраслей, которые довольно часто требуют мелкосерийного производства. Например, Rocket lab уже произвел методом аддитивных технологий более 20 тыс. деталей для американских космических компаний.
На текущий момент для усиления конкурентных преимуществ Российской космической отрасли и наверстывания упущенных возможностей необходимо первостепенно освоить три базовые технологии:
1. Селективное послойное сплавление лазером
Технология изготовления сложных по форме и структуре изделий из металлических порошков. Сначала формируется равномерный слой порошка на подложке, а затем происходит плавление порошка при помощи мощного лазерного излучения. [3]
2. Прямое лазерное наращивание
Технология, при которой металлический порошок подается через специальное сопло непосредственно в ту же область, куда подводится лазерный луч, образуя локальную ванну жидкостного расплава. [4]
3. Электронно-лучевая плавка (EBM)
Технологий предполагает использование вместо лазерного луча электроимпульсы для плавления. Особенность - это возможность получать готовые изделия без необходимости дополнительной термообработки в вакуумных печах. Сама печать происходит при высокой температуре в камере. В результате полного локального расплавления порошка детали обладают очень высокой плотностью, сравнимой с технологией литья.
Сравнительный анализ технологий представлен в таблице 1.
№ Название технологии Преимущества Недостатки
1 Селективное лазерное возможность производства Нельзя наладить
плавление (выращивание) деталей сложных геометрических производство
(SLS) форм, в частности, которые миниатюрных
невозможно получить изделий (от 0,2 до 0,4
традиционными методами мм).
обработки металла; Для производства
значительное сокращение времени используются
производства. порошки мелкой
фракции (до 75 мкм).
2 «Прямое лазерное Возможность производства Нельзя наладить
выращивание» (DMLS) изделий, обладающих производство
или «гетерофазная градиентными свойствами - миниатюрных
лазерная порошковая различные части изделия изделий (от 0,2 до 0,4
металлургия» обладают различными мм).
показателями; Для производства
значительное сокращение времени используются
производства; порошки мелкой
простое внесение изменений в фракции (до 75 мкм).
конструкцию без переналадки
производства.
3 электронно-лучевая возможность производства
плавка (ЕВМ) изделий любых геометрических
форм и в широком диапазоне
размеров (в том числе совсем
миниатюрные от 0,2 до 0,4 мм);
использование в работе
металлических порошков крупной
фракции (75-120 мкм).
Рис. 5 Рабочая часть первой ступени двигателя, выполненная с помощью 3D печати.
По вышеизложенным причинам 3D-ne4arn предстоит набирать обороты и стать ключевой технологией в аэрокосмической отрасли, благодаря согласованию преимуществ с основными её приоритетами, включая:
• снижение веса,
• экономию топлива,
• повышение эффективности эксплуатации,
• консолидацию деталей,
• ускорение выхода на рынок и сокращение затрат. [3] Компании уже начали реализацию проектов, которые доказывают
эффективность технологии «3D Systems» на аэрокосмическом рынке, включающие: Первый BD-радиочастотный (RF) фильтр, протестированный и утвержденный для использования в коммерческих телекоммуникационных
спутниках. Новый фильтр от Airbus «Defense and Space» снижает вес на 50%. Титановые кронштейны, которые на 25 процентов легче и характеризуются лучшим соотношением жесткости к весу.
Детали двигателя, созданные в рамках проекта Европейского космического агентства (ESA) и 3D Systems, позволяют снизить вес, упростить сборку, ускорить производство и облегчить адаптацию конструкции на поздней стадии.
Подводя вышеизложенное, можно сделать вывод, что в ближайшее время будет наблюдаться внедрение аддитивных технологий в ракетостроении, как среди коммерческих участников рынка (наращивание доли деталей, полученных таким способом), так и среди национальных компаний (отказ от традиционных технологий производства в пользу аддитивных). Все это в значительной степени поможет сократить период разработки новых прототипов и серийных образцов ракет-носителей, снизить затраты компаний и достичь новых высот в области покорения космоса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Фалько С.Г., Волков В.А., Баев Г.О., Орлов А.О., Требования и оценка реализуемости проектов создания изделий ракетно-космической техники // Научный журнал КубГАУ - 2014. № 99(05). С. 1-13.
Фалько С.Г., Цисарский А.Д., Зарубежные практики определения трудоемкости и стоимости разработок в авиационно-космической промышленности // Контроллинг - 2016. № 61. С. 70-73.
Фалько С.Г., Рыжикова Т.Н., Агаларов З.С., Анализ тенденций, определяющих научно-технологическое развитие космической отрасли в условиях больших вызовов // Экономический анализ - 2020. № 06 (19). С. 996-1014. Рахмилевич Е.Г., Дементьев Д.А., Черемисин Д.А. Техническое перевооружение предприятий ракетно-космической промышленности / Рахмилевич Е.Г.,
Дементьев Д.А., Черемисин Д.А., Новиков П.П., Приходько Н.В., Фонусев В.Г., Шурко А.Н. // Ритм Машиностроения. - 2018. - 4. С. 26-30. Аддитивные технологии: основа промышленной революции [Электронный ресурс] // Официальный сайт Ростеха. URL: https://rostec.ru/news/additivnye-tekhnologii-v-deystvii/ (дата обращения: 26.12.2020)
Atoev V.V.
1st year master's degree Faculty of Engineering Business and Management Department of Economics and Organization of Production Moscow State Technical University (Moscow, Russia)
ANALYSIS OF APPLICATION PROSPECTS ADDITIVE TECHNOLOGIES IN ROCKET-BUILDING
Abstract: the article analyzes the prospects for the use of additive technologies in rocketry. Keywords: additive technologies, rocketry, space industry.
